Los físicos utilizan campos eléctricos para provocar oscilaciones en partículas diminutas

Una frontera desafiante en ciencia e ingeniería es manipular la materia fuera del equilibrio termodinámico para construir sistemas físicos con capacidades que rivalizan con las de los organismos vivos. La búsqueda de coloides activos tiene como objetivo crear pequeñas y micro «partículas» que nadan a través de fluidos viscosos como microorganismos primitivos. Cuando estas partículas autopropulsadas se combinan, pueden organizarse y moverse como grupos de peces para realizar funciones automatizadas, como navegar por entornos complejos y entregar «bienes» a los sitios de destino.

El equipo de Columbia Engineering dirigido por Kyle Bishop, profesor de Ingeniería Química, está a la vanguardia en el estudio y diseño de la dinámica de coloides activos que operan por reacciones químicas o por extrínsecos magnéticos, eléctricos o externos. campos vocales. El grupo está desarrollando robots coloidales, en los que los ingredientes activos interactúan y se ensamblan para realizar funciones dinámicas inspiradas en células vivas.

En un nuevo estudio publicado hoy por mensajes de revisión física, El grupo de Bishop, en colaboración con colaboradores del Centro de Ciencias Energéticas de Inspiración Biológica (CBES) de la Universidad de Northwestern, informan que han demostrado el uso de campos eléctricos de CC para impulsar los giros hacia adelante y hacia atrás para un microgranos en las capas limítrofes eléctricas. Los osciladores de partículas pueden ser útiles como relojes que coordinan la regulación de la materia activa, posiblemente regulando las funciones de los robots en la escala de micras.

«Los osciladores de partículas pequeñas pueden permitir nuevos tipos de materiales activos que combinan los comportamientos de enjambre de los coloides autopropulsados ​​con el comportamiento sincrónico de los osciladores acoplados», dice Bishop. «Esperamos que las interacciones entre partículas dependan de sus posiciones y fases, permitiendo así comportamientos colectivos más ricos, comportamientos que pueden diseñarse y explotarse para aplicaciones en robots de enjambre».

Hacer un reloj confiable con una escala de micrones no es tan simple como parece. Como se puede imaginar, los relojes de péndulo no funcionan bien cuando se sumergen en miel. Su movimiento periódico, como el de todos los osciladores inerciales, se detiene con suficiente resistencia a la fricción. Sin asistencia de inercia, es igualmente difícil impulsar el movimiento oscilatorio de partículas micrométricas en fluidos viscosos.

«Nuestra reciente observación de bolas coloidales que oscilan hacia adelante y hacia atrás en un campo eléctrico de CC proporcionó cierto misterio, que es lo que queríamos resolver», señala el autor principal del artículo, Zhengyan Zhang, Ph.D. Un estudiante del laboratorio de Bishop que descubrió este efecto. «Cambiando Tamaño de partículaintensidad de campo y conductividad del fluido, determinamos las condiciones experimentales necesarias para las oscilaciones y revelamos el mecanismo detrás de la dinámica rítmica de partículas «.

Trabajos anteriores han demostrado cómo partículas similares pueden rotar de manera constante a través de un proceso conocido como rotación de Quincke. Como una rueda de agua llena desde arriba, la inestabilidad de Quincke es impulsada por la acumulación de carga eléctrica en la superficie de las partículas y su rotación mecánica en el campo eléctrico. Sin embargo, los modelos actuales de rotación de Quincke, y las ruedas de agua altamente amortiguadas, no predicen la dinámica oscilatoria.

Este nuevo estudio describe y explica las oscilaciones «difusas» con referencia a una capa límite en un electrolito no polar. Dentro de esta capa, que los investigadores a menudo pasan por alto, se crean portadores de carga y luego migran bajo la influencia del campo eléctrico. Estos procesos introducen asimetrías espaciales en las tasas de acumulación de carga en la superficie de la partícula. Como una rueda de agua cuyo cubo gotea más rápido en la parte superior que en la parte inferior, la carga asimétrica puede girar hacia adelante y hacia atrás con intensidades de campo elevadas.

«La tasa finita de generación de carga en estos electrolitos débiles crea una capa límite similar al tamaño de la partícula bajo un campo eléctrico fuerte, como lo encontró numéricamente el estudiante de doctorado Hang Yuan, coautor del trabajo. Como resultado, el ‘ conductividad ‘de iones alrededor de las partículas dentro de la capa límite Los grandes no son estáticos, lo que conduce a las oscilaciones observadas en campos eléctricos fuertes ”, dice Monica Olivera de la Cruz, profesora Adv. Taylor de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Química y ( por cortesía) Ingeniería Química y Biológica, Física y Astronomía en la Universidad de Ingeniería de Northwestern.

«Este trabajo demuestra un método para generar osciladores, que puede dar lugar a fenómenos cooperativos en líquidos», agrega.

El equipo experimentó con diferentes formas de partículas y descubrió que pueden generar vibraciones con cualquier partícula, siempre que su tamaño sea similar al de la capa límite.

«Ajustando la intensidad del campo y / o el electrolito, podemos controlar de forma predictiva la frecuencia de nuestros ‘relojes Quincke'», añade Bishop. «Nuestro artículo permite el diseño de nuevas formas de materia activa basadas en grupos de osciladores móviles».

Actualmente, el equipo está estudiando los comportamientos colectivos que aparecen cuando varios osciladores de Quincke se mueven e interactúan entre sí.